基于复合泄漏通道模型的O型圈密封泄漏率计算方法研究

O型圈密封作为机械结构中最常见的密封形式之一，实现其密封泄漏率的准确定量计算进而保障其密封性能，对机械产品和装备整体的安全性、可靠性和环境保护性等具有重要意义。现有的O型圈泄漏率计算方法难以在计算准确度与模型复杂度间达到很好的平衡。针对这一问题，提出了一种基于复合泄漏通道模型的O型圈泄漏率计算方法。复合泄漏通道模型通过对粗糙表面轮廓三角峰均一化排列，将O型圈与粗糙表面间的泄漏通道定义为三角形通道和梯形通道两种典型形式。相比现有方法通过单一几何体对泄漏通道建模，复合泄漏通道模型引入粗糙表面三角峰统计参数对泄漏通道进行表征，充分反映了表面形貌特征对通道形式与泄漏率的影响。局部密封单元的泄漏仿真实验表明，复合泄漏通道模型相比经典的Roth模型具有更好的计算准确性。将该方法应用于一种典型的O型圈密封结构，设计并实施了泄漏率测量实验，实验结果表明不同O型圈压缩率下泄漏率计算结果的平均相对误差不超过15%，验证了提出的方法在实际应用场景下的有效性。     

油套管特殊螺纹密封面微观泄漏机制研究

特殊螺纹金属对金属密封的可靠性不仅与主密封面的结构和油套管材料性能有关,而且与螺纹接头密封面表面粗糙度、泄漏介质特性等因素有关,其密封性能的研究是一项复杂而又难以解决的问题。在微观尺度下,分析特殊螺纹金属对金属气密封泄漏机制,并建立微观尺度下气体通过金属密封间隙泄漏速率的理论模型;在考虑密封表面粗糙度的情况下,建立特殊螺纹气体泄漏率的数学模型。以锥面对锥面密封为例,研究密封表面接触应力、表面粗糙度和密封面接触长度对特殊螺纹气体密封性能的影响。计算结果表明:随密封面接触应力的增大和密封面有效接触长度的增加,气体泄漏率均呈幂率指数规律降低;随密封面粗糙度的增加,气体泄漏率随之增大。     

平板式固体氧化物燃料电池封接气密性的LBM模拟与分析

对平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)的压缩密封结构的泄漏特性进行定量研究。为模拟粗糙泄漏通道的复杂形貌,采用粗糙表面数值重构技术来构建不同气体泄漏通道;考虑流动通道尺度细微、边界复杂,应用格子Boltzmann方法(LBM)对气体流动特性进行数值分析,建立包括粗糙表面几何特性参数在内的泄漏率计算模型;通过单粗糙峰微观接触力学分析,建立泄漏通道结构特征参数随应力变化的定量关系式,并分析各种因素对封接气密性的影响。结果表明:压缩密封结构的主要影响因素为粗糙表面形貌、密封材料机械力学特性、密封流体物性以及密封结构工作状态;表面粗糙度越大,温度越高,泄漏率越低;压缩密封过程中材料变形较小,对泄漏率的影响也较小;不同介质的热物理性质差异会引起泄漏率的不同。将提出的模型应用于某SOFC密封结构的泄漏率预测,计算结果与实验测量结果吻合良好,验证了模型的准确性。     

液氮内喷式主轴迷宫密封结构变形对泄漏特性的影响

迷宫密封是保证旋转机械中定子与转子之间密封性能的关键结构.超低温冷却加工机床液氮内喷式主轴采用迷宫密封对超低温介质进行密封,密封件承受非常大的温度载荷和应力载荷,会产生结构变形并影响密封性能.为研究超低温冷却加工机床液氮内喷式主轴内迷宫密封件在超低温环境下的结构变形对密封性能的影响规律,基于流体力学、传热学、弹性力学理论,采用多物理场耦合数值分析方法,对迷宫密封的温度场、变形规律、泄漏特性等进行了深入分析,得到了超低温介质密封结构的温度场分布和变形后的密封间隙并创建了考虑结构变形的泄漏量模型.研究结果表明:密封超低温介质时,在低温载荷的影响下迷宫密封件发生受冷收缩变形导致迷宫密封间隙明显增加,-188.56℃低温下泄漏量增加了2倍,密封结构的密封性能变差.对多种工况下迷宫密封结构变形后的泄漏量进行对比分析,相对误差均在6％以下,证明了所建立的泄漏量模型的有效性.     

电磁阀密封泄漏率模型与计算

该文介绍一种常闭式电磁开关阀门,采用圆弧型面的金属阀芯与PTFE光滑平面阀座,形成线接触密封型式,表征实际金属阀芯粗糙峰特征,建立泄漏通道几何模型,利用有限元分析方法确定泄漏率与粗糙度等级及粗糙峰特征的定量关系。对表征的金属阀芯粗糙峰与光滑阀板进行有限元接触分析,得出接触变形后泄漏通道。假设只存在涡旋形泄漏通道,以粘滞-分子流态泄漏,得出了初始密封泄漏率的计算结果。采用有限元方法避免了利用统计学对表面进行复杂数学处理,通过对电磁截止氦质谱仪检测表明,阀门泄漏率计算结果与测试结果具有较好吻合性,同时发现粗糙峰特征对PTFE光滑阀板容易形成应力集中,粗糙峰形貌特征对阀门密封性能具有重要影响。     

粗糙表面的气体密封性能研究

高精度的气体密封是现代工业和国防工业的关键技术之一,以粗糙表面干接触气体静密封问题为研究对象,基于自回归(Autoregressive,AR)时间序列的数字滤波技术,利用计算机生成具有给定自相关函数和纹理取向的高斯分布的数值化粗糙表面,根据气体在微纳米粗糙表面间隙流动理论,建立粗糙表面静接触间隙气体密封模型,通过对气体在接触间隙流动的数值模拟,分析表面粗糙度纹理方向、方均根等粗糙表面表征参数在名义气体膜厚变化时对气体泄漏量和密封压力的影响,给出粗糙表面形貌参数和密封压力与气体密封性能之间的关系.在粗糙间隙雷诺方程中引入两个气体压力流动流量因子,使得随机雷诺方程变为普通雷诺方程,从而方便工程应用.以某低温气体密封阀为例,分析泄漏量与密封载荷、表面粗糙度参数等参数之间的关系,从而为阀门密封设计提供理论基础.     

表面波度对液体椭圆孔端面密封上游泵送特性的影响

表面波度与端面几何型槽的耦合影响使得密封性能的变化规律更为复杂。基于粗糙和波度表面假设,建立空化效应下端面椭圆孔液体上游泵送密封的理论分析模型,对上游泵送端面密封的压力分布和泄漏率进行数值求解计算,分析周向表面波度幅值、数量等几何参数和转速、密封压力等操作参数对开启力和泄漏率的影响规律。结果显示：表面波度使得密封端面产生更高的流体动压效果,并减弱上游泵送效果,容易导致密封介质的泄漏;随着波高和周向波数的增加,开启力略有增加;泄漏率随着波高的增加呈现正向增强趋势,但波数对泄漏率没有明显影响;在空化效应和表面波度的影响下,速度剪切产生的密封端面开启力可增加50%以上,并形成流体的完全上游泵送;密封压力和膜厚的增加,使得流体的上游泵送性能和密封性下降。     

不同润滑状态下表面粗糙度对人字槽密封性能的影响

为研究端面形貌对液膜密封密封性能的影响,在人字槽液膜密封端面结构的基础上,建立考虑密封表面粗糙度的数学模型,采用端面形貌表征值(微凸体周向与径向的长度比)和表面粗糙度标准差(综合表面粗糙度的均方根偏差)表征粗糙参数,分析不同润滑状态下表面粗糙度参数对人字槽密封性能的影响。计算结果表明:在混合摩擦状态时,随着端面形貌表征值的增加,摩擦因数和泄漏量逐渐减小,液膜承载能力变大;随着表面粗糙度标准差的增加,摩擦因数和泄漏量变大,液膜承载能力下降;在全液膜密封状态时,随着端面形貌表征值的增加,摩擦因数不变,泄漏量减小,液膜刚度先增大后略为减小;随着表面粗糙度标准差的增加,摩擦因数不变,泄漏量和液膜刚度变大。     

外伸轴杆动配合处密封问题

在液压传动中,外伸轴杆动配合处的泄漏问题是整个系统泄漏的重点部位。由于该处泄漏故障比较普遍,因此动配合处的正确密封,是设计和使用部门关注的问题之一。 1、轴杆表面加工质量对密封性的影响:为提高动配合处的密封性,被密封的轴杆表面的粗糙度要适当。表面过于粗糙会加速密封圈的磨损,而过于光滑不但会增加加工费用,并且不利于油膜的形成和保持,而产生干磨或半干磨。     

液黏离合器旋转动密封泄漏特性试验研究

为探究并改善液黏离合器旋转动密封的泄漏特性，采用Tr1-6Kr-22A变速试验台开展其密封性能试验，对比分析操作参数和结构参数对各个泄漏通道泄漏量的影响规律。结果表明：操纵油泄漏量整体偏大，润滑油泄漏通道受压力影响最小；随着操纵油压力的增加，各泄漏通道泄漏量亦随之上升，但高压工况下泄漏量增势平缓；各泄漏通道泄漏量与转速存在正相关关系，但油压对密封泄漏量影响较转速更为明显；密封环带宽度对泄漏量影响较大，较宽的密封环带可有效降低密封总体泄漏量；采用较宽密封环带的试验工装各个通道泄漏量最小，且受操作参数影响较小，适用于压力波动较大的场合，而在转速波动较大时密封泄漏量出现阶跃特性。     

基于多孔介质理论的双粗糙面金属静密封泄漏模型

粗糙面微观几何形貌是影响静密封泄漏特性的重要因素。应用粗糙面的三维点云数据,将粗糙面进行离散化处理,进而将由双粗糙面构成的密封界面等效为三维逾渗栅格模型,基于多孔介质理论计算得到密封界面的孔隙率和渗透率,从而建立了一种双粗糙密封界面的泄漏率模型。搭建金属静密封泄漏率测量试验台,通过对环面金属静密封泄漏特性的试验研究,验证了该泄漏模型的有效性。利用该模型分析了表面纹理方向、粗糙面波动频率与材料特性对金属静密封泄漏特性的影响。结果表明：各向异性粗糙面构成的密封界面具有较好的密封性能;粗糙面波动频率越大,密封性能越好;低硬度材料易于实现有效密封;在重载情况下,粗糙面微观几何形貌对孔隙率与泄漏率的影响不显著。     

密封结构中粗糙表面特征对其气密性的影响

基于Gauss分布函数和指数自相关函数关系建立三维粗糙表面的数学模型,获得密封面的数值粗糙表面。进而在三维数值粗糙表面的基础上,采用流动数值分析方法,对金属垫片密封结构的气密性进行了研究,分析表面粗糙度、应力以及材料力学特性等相关参数对泄露率的影响。为构建泄漏率表达式,引入流量因子表征现有模型泄漏率与平行圆板模型的差异,流量因子是膜厚比的函数。该工作实现了静接触密封结构泄漏特性定量评估的数值分析方法,对各种硬密封结构的高精度设计有着重要指导意义。     

表面形貌对燃料电池密封件接触特性的影响*

为探究燃料电池密封件表面形貌对密封接触特性的影响，采用Weierstrass-Mandelbrot分形函数表征密封件的表面形貌，基于Majumdar-Bhushan接触模型构建考虑密封件表面形貌的二维有限元模型。研究接触—一次线性加载—卸载—二次线性加载4个步骤下光滑表面与粗糙表面的接触特性，基于上述模型，研究材料硬度对燃料电池密封性能的影响。研究结果表明：粗糙表面二次加载后其应力分布均匀度低于第一次，且其2次加载后应力分布均匀度均低于光滑表面；粗糙表面二次加载后其最高应力与最大接触压力较第一次分别增加14.29%与89.29%，而光滑表面几乎维持不变；对于粗糙表面，其硬度越高，泄漏率越低，且其降低幅度随硬度增大而减小。     

一种基于等效平行间隙的静密封漏率预测方法

工程中由于密封件形状多样化和表面接触压力复杂多变,现有分析方法难以快速对密封性能进行定量分析。提出一种将密封接触压力引起的粗糙表面泄漏间隙变化等效为平行泄漏间隙,进而采用可压缩雷诺方程进行漏率计算的方法。该方法可快速计算各种工况下的密封性能。通过设计测量漏率实验,标定出接触压力和泄漏间隙的关系。基于该关系,将由有限元模型计算得到的密封接触压力分布转变为等效平行泄漏间隙分布,进而通过雷诺方程计算出密封界面的漏率。通过D形截面垫片验证漏率预测方法的准确性,实验验证表明,该方法能够快速准确计算出不均匀密封接触压力表面的漏率。     

多唇往复滑环式组合密封数值模拟与分析

构建一种适用于多唇往复滑环式组合密封的数值模型,数值模型中包含固体力学分析、流体力学分析、接触力学分析、流固耦合分析。以含有3段密封唇的PS封为例,基于数值模型求解得到密封面油膜厚度分布、油膜压力分布、粗糙峰接触压力分布,以及内外行程的流量和密封界面的摩擦力。该数值计算方法解决了多唇密封中边界条件难确定的问题,通过迭代计算可得到稳态运行时各密封唇的边界条件。明确多唇PS封的密封机制,分析不同往复速度对密封性能的影响。结果表明：多唇PS封内外行程中各唇边界条件差异较大,外行程中,两唇之间的空隙处存在一定压力,内行程中空隙压力为0;外行程的密封面接触压力要小于内行程;增大往复速度会使多唇PS封净泄漏增加,摩擦力减小。     

Application of Fractal Contact Model in Dynamic Performance Analysis of Gas Face Seals

Fractal theory provides scale?independent asperity contact loads and assumes variable curvature radii in the contact analyses of rough surfaces, the current research for which mainly focuses on the mechanism study. The present study introduces the fractal theory into the dynamic research of gas face seals under face?contacting conditions. Structure?Function method is adopted to handle the surface profiles of typical carbon?graphite rings, proving the fractal con?tact model can be used in the field of gas face seals. Using a numerical model established for the dynamic analyses of a spiral groove gas face seal with a flexibly mounted stator, a comparison of dynamic performance between the Majumdar?Bhushan(MB) fractal model and the Chang?Etsion?Bogy(CEB) statistical model is performed. The result shows that the two approaches induce differences in terms of the occurrence and the level of face contact. Although the approach distinctions in film thickness and leakage rate can be tiny, the distinctions in contact mechanism and end face damage are obvious. An investigation of fractal parameters D and G shows that a proper D(nearly 1.5) and a small G are helpful in raising the proportion of elastic deformation to weaken the adhesive wear in the sealing dynamic performance. The proposed research provides a fractal approach to design gas face seals.     

变速器壳体接合面密封性能有限元预测

建立了以变速器总成为单位的接合面密封性能有限元预测模型,应用接触有限元方法进行计算,得到了主箱-后盖接合面和主箱-盖板接合面在装配、一挡和倒挡时的密封性能参数。按照接合面密封性能判断方法,通过分析表明:主箱与盖板之间的密封垫上各处均有压应力存在,且形成了具有一定压力的密封压力环,主箱-后盖接合面密封性能良好;主箱-盖板接合面未形成密封压力环带,但其间隙变化和错移量均在一定范围内,满足硅胶力学性能要求,主箱-盖板接合面密封性能良好。该研究为分析评价垫片和胶密封接合面的密封性能提供了借鉴方法。     

非API套管接头主密封结构气密性能试验分析

非API套管接头主要通过金属对金属的径向过盈主密封结构,保证气井开采时的井筒内气密性。依据7 in．套管接头尺寸选用锥面对锥面径向主密封结构型式加工试件,通过密封面过盈配合尺寸控制密封预紧力,测试不同密封预紧力下的气体泄漏率;分别采用车削、磨削和研磨工艺加工接触面,对比分析不同表面粗糙度对气密性能影响程度;取径向密封接触宽度范围2．5～25 mm,测试相同密封预紧力和气体压力下,不同接触宽度对应的气体泄漏率。试验测试结果表明,较高的初始接触压力是形成金属对金属密封的必要条件,当接触压力接近2倍材料屈服强度后,随气体压力升高泄漏率曲线近似保持水平,径向金属密封产生稳定气密性能;密封面的表面粗糙度不同,其进入稳定密封状态的快慢程度不同,表面光洁度越高、进入速度越快气密性能越好;径向接触宽度在2．5～10 mm范围内,气体泄漏率随接触宽度增加而显著降低,10 mm以后接触宽度对气密性能影响不大。     

基于流固耦合的橡胶O形圈密封泄漏计算方法*

提出一种基于流固耦合的橡胶O形圈静密封泄漏计算方法。对平行平板泄漏模型进行改进,使其适用于通道截面高度可变的泄漏率、介质压力计算;采用有限元仿真方法进行固体力学分析,求解宏观接触压力;采用Greenwood-Willamson模型进行接触力学分析,求解泄漏通道平均高度。基于数值方法研究介质压力、环境温度、表面形貌参数对橡胶O形圈密封性能的影响规律。结果表明,随着介质压力、环境温度、表面高度分布标准差的增大,体积泄漏率逐渐增大。上述数值方法以泄漏率作为表征密封性能的参数,能综合考虑橡胶材料、介质、工况等多种因素对O形圈密封性能的影响,对橡胶O形圈的寿命预测和失效分析更具指导意义。     

接触式机械密封基本性能研究进展

研究包括端面摩擦特性和密封特性(泄漏指标)的接触式机械密封基本性能,有利于延长机械密封的使用寿命,减少因泄漏带来的损失。通过对前人在机械密封端面摩擦特性及泄漏特性方面的研究成果包括摩擦特性参数、表面形貌的影响及其表征、端面材料配对、泄漏通道模型及界面流体流动特性的综述,分析了现有研究存在的不足,指出了机械密封基本性能研究的后续方向:全面考察机械密封的摩擦及泄漏特性,优化密封界面泄漏通道模型,建立密封界面流体流动模型。